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摘要：通過研究一起光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙火災(zāi)，結(jié)合火災(zāi)事故預(yù)警、初期處置、火災(zāi)撲救、事故原因等環(huán)節(jié)，評估該儲能電站的消防安全可靠性，對該類場所的火災(zāi)風(fēng)險、消防設(shè)計、防火措施、消防管理、滅火處置等進(jìn)行討論，并提出完善該類儲能電站相關(guān)消防標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、消防安全的對策建議。
關(guān)鍵詞：儲能電站；磷酸鐵鋰電池；熱失控；消防安全
2024年5月26日14時許，海南某市一70 MW農(nóng)光互補(bǔ)型光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)造成1組電池預(yù)制艙燒毀，未造成人員傷亡，未蔓延擴(kuò)大，未發(fā)生次生災(zāi)害。本文基于該起火災(zāi)調(diào)查和案例復(fù)盤，提出保障光伏儲能電站磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙消防安全的對策建議。
1 儲能電站基本情況
該農(nóng)光互補(bǔ)型光伏儲能電站項目位于空曠地帶，周邊無其他建筑和場所。項目總占地面積約83 萬m2，總?cè)萘?0 MW，配套建設(shè)17.5 MW/35 MWh的儲能系統(tǒng)和約50 萬m2的農(nóng)光互補(bǔ)農(nóng)業(yè)大棚。項目已經(jīng)實現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電，儲能設(shè)備全部滿負(fù)荷投入運行。該儲能電站整體布局見圖1。
圖1 儲能電站平面示意圖
儲能系統(tǒng)為7組磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙，能量為2.5 MW/5.16 MWh。每個預(yù)制艙由16個電池簇組成，每個電池簇的能量為322.56 kWh；每個電池簇由15個電池模組串聯(lián)組成，每個電池模組額定電壓為76.8 V、容量為280 Ah、能量為21.5 kWh；每個電池模組采用24只磷酸鐵鋰電芯串聯(lián)方式組成，單體電芯額定電壓為3.2 V、容量為280 Ah、能量為0.896 kWh。6號電池預(yù)制艙內(nèi)部布局見圖2。
圖2 6號電池預(yù)制艙內(nèi)部示意圖（單位：mm）
項目建有功率變換系統(tǒng)，設(shè)有7個儲能變流器PCS艙。設(shè)有能量管理系統(tǒng)EMS，對儲能系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理、平滑控制。設(shè)有電池管理系統(tǒng)BMS，由電池模塊管理單元BMU、電池簇管理單元BCU和電池堆/艙管理單元BSU組成，實時監(jiān)測和記錄電池運行情況。并設(shè)有2 750 kVA的隔離變壓器。
儲能電站設(shè)有消防給水系統(tǒng)，建有5個地上式室外消火栓和1個216 m3的消防水池。每組電池預(yù)制艙設(shè)有火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)、可燃?xì)怏w探測器和防爆型通風(fēng)裝置。站內(nèi)設(shè)有消防控制室和水泵房，配備了滅火器材，設(shè)有環(huán)形消防車道。
2 火災(zāi)處置情況
2.1 火災(zāi)處置經(jīng)過
接警后，當(dāng)?shù)叵啦块T立即啟動三級火警調(diào)派力量。消防力量到場后，了解到6號電池預(yù)制艙溫度異常過高、EMS反復(fù)告警、七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)已啟動、視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)艙內(nèi)有火光、艙體有煙霧冒出，濃煙、明火逐步向整個預(yù)制艙蔓延。遂立即劃定安全區(qū)，疏散現(xiàn)場人員，切斷電源，并組織力量利用移動水炮、滅火機(jī)器人等遠(yuǎn)程進(jìn)行不間斷地冷卻和隔離，防止事故向附近電池艙蔓延。同時，啟動與地方氣象、水務(wù)、環(huán)保等部門的協(xié)作機(jī)制，與儲能電站企業(yè)、工程施工、電池廠家技術(shù)人員會商研判，利用無人機(jī)紅外技術(shù)、可燃?xì)怏w檢測儀、有毒氣體檢測儀、漏電監(jiān)測儀等，實時監(jiān)測電池艙表面溫度和現(xiàn)場毒害氣體濃度變化。
現(xiàn)場處置中，利用儲能電站站區(qū)內(nèi)的2個地上式室外消火栓、1個216 m3消防水池，農(nóng)光互補(bǔ)區(qū)1個2 000 m3農(nóng)業(yè)用水水源及補(bǔ)水設(shè)施，保證了現(xiàn)場處置不間斷消防用水。經(jīng)過24 h不間斷冷卻處置，有效控制了火勢范圍及蔓延危害，事故預(yù)制艙表面溫度持續(xù)低于70 ℃，現(xiàn)場可燃?xì)怏w濃度處于安全范圍。綜合研判現(xiàn)場情況、分析國內(nèi)外事故案例并與相關(guān)專家溝通會商后，指揮部決定分批次打開電池簇艙門滅火，并強(qiáng)調(diào)個人防護(hù)和安全要求。2 h后，現(xiàn)場處置完畢。部分消防力量繼續(xù)留守觀察?；饒鎏幹糜脮r約26 h，滅火冷卻總用水量超過2 000 m3。
2.2 火災(zāi)處置經(jīng)驗
該起儲能電站火災(zāi)發(fā)生后，事故預(yù)警、初期處置、滅火救援、現(xiàn)場防護(hù)等各方工作有效、積極，主要有以下經(jīng)驗：
1）預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮作用。EMS能量管理系統(tǒng)、BMS電池管理系統(tǒng)及時預(yù)警、及時動作、客觀記錄，為及時發(fā)現(xiàn)和處置災(zāi)情以及后續(xù)事故調(diào)查提供了重要支撐。
2）初期事故處置有序。事故發(fā)生后，管理系統(tǒng)及時動作，電池預(yù)制艙停止運行；火災(zāi)報警、滅火系統(tǒng)正常啟動；值班人員第一時間撥打119電話報警；相關(guān)管理、技術(shù)人員及時到場。
3）偵察處置安全有力。消防力量到場后，第一時間了解管理系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)施動作情況，迅速疏散在場人員，切斷站區(qū)電源，啟動部門和專業(yè)協(xié)作機(jī)制，利用技術(shù)手段全面監(jiān)控現(xiàn)場安全條件。
4）滅火戰(zhàn)術(shù)準(zhǔn)確有效?，F(xiàn)場指揮部與有關(guān)專家充分研判，采取“冷卻控制、防蔓延、防傷亡”戰(zhàn)術(shù)，遠(yuǎn)程使用移動水炮、滅火機(jī)器人不間斷進(jìn)行冷卻和隔離，并進(jìn)行實時技術(shù)監(jiān)測，有效防止了衍生災(zāi)害。
5）開艙滅火慎重果斷。現(xiàn)場指揮部綜合研判冷卻控制情況和火場溫度、安全條件，打開站內(nèi)其他電池預(yù)制艙了解艙內(nèi)設(shè)施和結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化攻堅組安全防護(hù)，成功開艙滅火。
6）戰(zhàn)勤保障全面有力。滅火作戰(zhàn)持續(xù)時間長，消防員個人防護(hù)、消防裝備、消防水源以及后勤保障各方面有序有力。特別是附近1處2 000 m3的農(nóng)業(yè)用水，為不間斷冷卻用水提供了重要支撐。
3 火災(zāi)調(diào)查情況
該地啟動火災(zāi)調(diào)查區(qū)域協(xié)作機(jī)制，并邀請全國火災(zāi)調(diào)查專家、消防科研機(jī)構(gòu)專家參加。現(xiàn)場勘驗時，全程落實有害氣體現(xiàn)場監(jiān)測和個人安全防護(hù)。
經(jīng)查EMS告警記錄，當(dāng)日午時，6號PCS艙儲能系統(tǒng)開機(jī)，充電壓板投入，滿功率開始充電；約1 h后，6號PCS艙4簇控制系統(tǒng)突然頻繁緊急關(guān)機(jī)、復(fù)歸；又1 h后，視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)6號電池預(yù)制艙電氣室中間底部出現(xiàn)火光，6號電池預(yù)制艙BMS三級故障，觸發(fā)6號電池預(yù)制艙消防報警，七氟丙烷氣體滅火裝置啟動。在場人員發(fā)現(xiàn)處置無效，立即打119電話報火警。
經(jīng)勘查，6號電池預(yù)制艙全部過火，各電池模組安全閥全部開啟，七氟丙烷鋼瓶高溫變色，氣體全部釋放。拆除6號電池預(yù)制艙全部電池簇進(jìn)行比對，16個電池簇?zé)龘p情況見圖3。
2號電池簇?zé)龘p程度較重，其他電池簇的燒損程度隨著與2號電池簇的距離依次減輕。2號電池簇各電池模組過火，外觀基本完好，燒損程度下重上輕，底部配電箱全部燒毀。6號PCS艙對應(yīng)1號、2號電池簇防雷裝置燒損，有過壓短路痕跡。2號電池簇及內(nèi)部電池模組燒損情況見圖4。
圖3 6號電池預(yù)制艙電池簇?zé)龘p情況
圖4 2號電池簇及內(nèi)部電池模組燒損情況
2號電池簇底部配電箱燒損情況見圖5。
圖5 2號電池簇配電箱燒損情況
綜合調(diào)查情況，判定起火原因為6號電池預(yù)制艙內(nèi)2號電池簇底部配電箱因外部高壓沖擊短路起火。
4 火災(zāi)暴露的消防安全問題
通過火災(zāi)調(diào)查及各方深入會商討論，儲能電站磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙存在以下消防安全問題。
1）鋰電池的火災(zāi)危險性等級劃分標(biāo)準(zhǔn)、消防安全定性分類偏低。GB 51048-2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》第11.1.3條，將鋰電池火災(zāi)危險性確定為戊類，并基于此規(guī)定了相關(guān)的平面布局、建筑防火、消防設(shè)施、消防管理等系列要求；GB/T 42288-2022《電化學(xué)儲能電站安全規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)也以戊類火災(zāi)風(fēng)險為基礎(chǔ)提出相對較低的消防安全要求。由于國家標(biāo)準(zhǔn)將鋰電池火災(zāi)危險性確定為戊類，導(dǎo)致實踐中鋰電池儲能電站消防安全設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)偏低。有專家認(rèn)為這一定性不符合鋰電池的本質(zhì)危險性，需要重新評判規(guī)劃。比如，北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DB11/T 1893-2021《電力儲能系統(tǒng)建設(shè)運行規(guī)范》第4.2.2條，將鋰離子電池火災(zāi)危險性確定為甲、乙類，并設(shè)定了較高的消防安全標(biāo)準(zhǔn)。
2）電池預(yù)制艙消防系統(tǒng)應(yīng)對火災(zāi)的效果不明顯，儲能電站設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺少滅火系統(tǒng)相關(guān)要求。本起事故的儲能電站在電池預(yù)制艙設(shè)置七氟丙烷氣體滅火系統(tǒng)，事故發(fā)生時已聯(lián)動釋放，但沒有成功滅火，使用效果不顯著。有的儲能電站在電池艙同時設(shè)有氣體滅火系統(tǒng)和自動噴水滅火系統(tǒng)，有的地方探索使用壓縮氮氣泡沫滅火系統(tǒng)、新型氣溶膠滅火系統(tǒng)等。GB 51048-2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》并未強(qiáng)制規(guī)定設(shè)置滅火系統(tǒng)。但基于鋰電池火災(zāi)特性，在內(nèi)部滅火系統(tǒng)失效后，需要保障外部具備有效的滅火、隔離措施。本起事故儲能電站消防用水設(shè)計嚴(yán)重不足，實戰(zhàn)中無法保障冷卻隔離用水需要；鋰電池預(yù)制艙間的防火間距僅3 m，事故發(fā)生時無法有效防止火災(zāi)蔓延和進(jìn)行滅火展開；儲能電站消防設(shè)施和消防裝備嚴(yán)重不足，缺少嚴(yán)格的防火防爆設(shè)計要求。
3）儲能電站消防安全能力建設(shè)不充足，相關(guān)消防法規(guī)需要同步調(diào)整支持。儲能電站是新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，其內(nèi)部儲存的能量密度高、火災(zāi)風(fēng)險高，但是當(dāng)前的消防管理策略通常將其視為普通社會單位處理。在法律法規(guī)方面，現(xiàn)行的《消防法》等法律體系不包含針對此類新興產(chǎn)業(yè)專職消防隊伍建設(shè)的要求，導(dǎo)致儲能電站的消防安全保障制度不適應(yīng)需求，無法構(gòu)建高效、專業(yè)的消防應(yīng)急體系。此外，儲能電站專業(yè)技術(shù)人員在消防安全管理領(lǐng)域的專業(yè)性、實戰(zhàn)經(jīng)驗、有效處置能力不足，無法保障火災(zāi)初期的響應(yīng)速度，有增加火災(zāi)蔓延和擴(kuò)大損失的風(fēng)險。因此，完善儲能電站的消防能力建設(shè)并推動相關(guān)消防法規(guī)的修訂，已成為保障新能源產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展的迫切需求。
4）磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾蟠嬖诒L(fēng)險，滅火處置應(yīng)對措施存在爭議。本起事故起火原因為電池模組外部配電盤電氣短路，屬于外部火源引發(fā)，電池模組內(nèi)部反應(yīng)不夠充分，毒害氣體釋放量有限，爆炸風(fēng)險相對較小。但關(guān)于磷酸鐵鋰電池?zé)崾Э睾蟊ǖ目赡苄匀源嬖谳^大爭議。
5）儲能行業(yè)安全、儲能電站火災(zāi)風(fēng)險評估未受到足夠重視，缺少專業(yè)監(jiān)測及定期審查。為落實能源安全戰(zhàn)略，國家發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見》《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》等，電化學(xué)儲能電站發(fā)展迅速，市場環(huán)境和商業(yè)模式初步建立。至2023年底，我國已投入運行的電力儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模達(dá)86.5 GW，同比增長45%。伴隨新型儲能的高質(zhì)量、規(guī)模化、集成式發(fā)展，國內(nèi)外電化學(xué)儲能安全問題日益引起關(guān)注。2024年5月15日，美國加利福尼亞州 Gateway三元鋰離子電池250 MW儲能電站站房式儲能系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，并多次復(fù)燃，持續(xù)2周才被撲滅。從整個新能源行業(yè)系統(tǒng)看，儲能電站火災(zāi)需引起高度關(guān)注，急需開展相關(guān)風(fēng)險評估工作。
5 儲能電站消防安全措施
當(dāng)前，新型儲能技術(shù)發(fā)展迅速，但相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范滯后、防滅火措施不到位、消防管理專業(yè)化水平不足。為保障新型儲能產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展，建議以加強(qiáng)風(fēng)險管理為基礎(chǔ)保障，提高消防安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、管理能力，構(gòu)建并持續(xù)完善滅火應(yīng)急處置機(jī)制，同步建立行業(yè)消防安全風(fēng)險評估體系。
5.1 以火災(zāi)高危單位風(fēng)險管理為基礎(chǔ)
試驗表明，在熱失控條件下，鋰離子電池?zé)峤鈿怏w爆炸下限為6.22%、上限為38.4%，比常見可燃?xì)怏w爆炸極限范圍寬，且風(fēng)險更大。2024年4月27日，德國尼爾莫爾商業(yè)區(qū)某磷酸鐵鋰電池儲能集裝箱發(fā)生火災(zāi)，當(dāng)?shù)叵绬T到場并咨詢運營商后，打開正在冒煙的儲能集裝箱時發(fā)生爆炸，造成2名消防員受傷。鋰電池火災(zāi)危險性應(yīng)主要依據(jù)其熱失控后釋放的可燃?xì)怏w的風(fēng)險確定。建議消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和消防法規(guī)將鋰離子電池火災(zāi)危險性確定為甲、乙類，將儲能電站界定為火災(zāi)高危單位，并以此為基礎(chǔ)，規(guī)范設(shè)置消防安全設(shè)施，并開展消防安全管理。
5.2 提升消防安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
建議盡快修訂國家標(biāo)準(zhǔn)GB 51048-2014《電化學(xué)儲能電站設(shè)計規(guī)范》，取消將鋰電池火災(zāi)危險性定為戊類的規(guī)定，按照甲、乙類火災(zāi)危險性，提高鋰電池儲能電站耐火等級、防火間距、防火防爆、消防設(shè)施等方面的消防設(shè)計要求。當(dāng)電池艙內(nèi)部氣體滅火系統(tǒng)無效時，采用遠(yuǎn)程噴水冷卻隔離、管網(wǎng)供水浸沒滅火等戰(zhàn)術(shù)非常重要?？煽紤]在每個電池預(yù)制艙增設(shè)消防水泵接合器和局部應(yīng)用的開式自動噴水滅火系統(tǒng)，以每個電池簇中每個電池模組為單元進(jìn)行設(shè)置，確保有效浸沒電池模組。鋰電池預(yù)制艙應(yīng)當(dāng)增設(shè)消防水泵接合器和開式自動噴水滅火系統(tǒng)，并增設(shè)泄壓措施。站內(nèi)室外消火栓旁應(yīng)增設(shè)水槍、水帶、扳手等器材箱；可根據(jù)實際情況增設(shè)固定式室外消防水炮。同時，考慮增加消防用水量，修訂消防用水計算標(biāo)準(zhǔn)，火災(zāi)延續(xù)時間宜以5 h以上計算，并明確備用水源。
5.3 提高消防安全管理能力
在修訂《中華人民共和國消防法》《中華人民共和國安全生產(chǎn)法》時，針對儲能產(chǎn)業(yè)新風(fēng)險，增設(shè)相關(guān)制度和規(guī)定。明確距離當(dāng)?shù)叵勒据^遠(yuǎn)的中大型電化學(xué)儲能電站，應(yīng)當(dāng)建立企業(yè)專職消防隊，增設(shè)防爆、防毒、防觸電等專業(yè)裝備；儲能電站應(yīng)按照高危單位安全要求，建立風(fēng)險分級管控和隱患排查整治雙重預(yù)防機(jī)制，管理人應(yīng)具備相關(guān)的安全職業(yè)資格。同時，持續(xù)推進(jìn)儲能電站消防安全標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，加強(qiáng)對無人值守儲能設(shè)施的信息化管理和定期巡查，明確人防、物防、技防標(biāo)準(zhǔn)和運行維護(hù)安全措施。明確各管理系統(tǒng)異地或云存儲要求，規(guī)范BMS、EMS數(shù)據(jù)存儲管理標(biāo)準(zhǔn)，確保發(fā)生事故后可通過數(shù)據(jù)溯查分析。企業(yè)應(yīng)建立儲能專家協(xié)作機(jī)制，加強(qiáng)運維、巡查人員專業(yè)化安全培訓(xùn)，每半年進(jìn)行一次全流程實戰(zhàn)化消防演練。建議制定《電化學(xué)儲能電站消防安全管理》國家標(biāo)準(zhǔn)，填補(bǔ)安全管理標(biāo)準(zhǔn)空白，可吸納國家能源局《防止電力生產(chǎn)事故的25項重點要求（2023版）》的相關(guān)剛性內(nèi)容。
5.4 完善滅火應(yīng)急處置機(jī)制
針對磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙火災(zāi)熱失控后有較大爆燃爆炸的可能性，不應(yīng)盲目開艙滅火。在火災(zāi)處置中，應(yīng)堅持“以人為本、安全第一”的原則，優(yōu)先疏散人員、切斷電源，加強(qiáng)現(xiàn)場安全監(jiān)測，審慎開艙滅火，有效防止觸電、中毒、爆燃、爆炸等衍生危害?；馂?zāi)處置中，應(yīng)堅持“科學(xué)施救、穩(wěn)妥處置”原則，第一時間了解EMS、BMS等管理系統(tǒng)動作及視頻監(jiān)控情況，加強(qiáng)與相關(guān)專家溝通，積極利用滅火機(jī)器人、移動水炮等遠(yuǎn)程出水，有效發(fā)揮無人機(jī)遠(yuǎn)程偵察和紅外溫度監(jiān)測等作用，近戰(zhàn)、攻堅力量務(wù)必加強(qiáng)個人安全防護(hù)。磷酸鐵鋰電池預(yù)制艙火災(zāi)撲救耗時長，用水量大，處置難度大，平時應(yīng)加強(qiáng)預(yù)案熟悉、現(xiàn)場勘查和合成化、實戰(zhàn)化演練。
5.5 建立行業(yè)消防安全風(fēng)險評估體系
建立儲能電站行業(yè)消防安全評估機(jī)制，對新的國家標(biāo)準(zhǔn)出臺前已經(jīng)建設(shè)并投入使用的電化學(xué)儲能電站，通過明確評估目標(biāo)、確定評估依據(jù)、全面組織核查、綜合分析評判等開展安全風(fēng)險評估。組織專業(yè)團(tuán)隊對儲能電站進(jìn)行實地檢查，重點檢查電池組、電氣設(shè)備、消防設(shè)施等關(guān)鍵部位，研提改進(jìn)措施、優(yōu)化安全管理，持續(xù)加強(qiáng)儲能電站的本質(zhì)安全。針對區(qū)域性儲能安全，定期組織開展專業(yè)化綜合評估，建立健全儲能產(chǎn)業(yè)火災(zāi)高風(fēng)險單位“黑名單”制度，落實監(jiān)管、督促整改，確保進(jìn)退有序、安全發(fā)展。
